《數(shù)字電子技術(shù)》教案27

學(xué)習(xí)情境9數(shù)字信號與模擬信號的相互轉(zhuǎn)換學(xué)習(xí)目標(biāo)基于寄存器的電路設(shè)計與實現(xiàn)（1）掌握模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的方法（2）掌握數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的方法數(shù)字信號是數(shù)字系統(tǒng)與物理世界溝通的橋梁，因此，當(dāng)需要使用數(shù)字系統(tǒng)處理物理世界的問題時，就需要將物理世界的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。同樣，當(dāng)數(shù)字系統(tǒng)將問題處理好并將處理結(jié)果反饋給物理世界時，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為物理世界的模擬信號也是必不可少的。數(shù)字信號與模擬信號的相互轉(zhuǎn)換在自動化、圖像處理、工業(yè)、儀器、醫(yī)療、軍事、電信、語音處理等方面都具有廣泛的應(yīng)用。數(shù)字信號處理是將數(shù)學(xué)、軟件編程和硬件處理組合起來以處理模擬信號的。數(shù)字信號與模擬信號的相互轉(zhuǎn)換9.1.1A/D轉(zhuǎn)換電路及原理在A/D轉(zhuǎn)換器中，因為輸入的模擬信號在時間上是連續(xù)量，而輸出的數(shù)字信號是離散量，所以進(jìn)行轉(zhuǎn)換時必須在一系列選定的瞬間（亦即時間坐標(biāo)軸上的一些規(guī)定點上）對輸入的模擬信號取樣，然后再把這些取樣值轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字量。因此，一般的A/D轉(zhuǎn)換過程是通過取樣、保持、量化和編碼這四個步驟完成的。9.1.1A/D轉(zhuǎn)換電路及原理

（a）對輸入模擬信號的采樣

（b）還原取樣信號所用濾波器的頻率特性9.1.1A/D轉(zhuǎn)換電路及原理

9.1.1A/D轉(zhuǎn)換電路及原理

劃分量化電平的兩種方法9.1.1A/D轉(zhuǎn)換電路及原理

取樣-保持電路的基本形式

9.1.1A/D轉(zhuǎn)換電路及原理

單片集成取樣-保持電路LE198的電路原理圖及符號9.1.1A/D轉(zhuǎn)換電路及原理

9.1.1A/D轉(zhuǎn)換電路及原理

9.1.2A/D轉(zhuǎn)換器分類1.并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器3位并行比較型A/D轉(zhuǎn)換原理電路如圖所示，它由電壓比較器、寄存器和代碼轉(zhuǎn)換器三部分組成。并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器9.1.2A/D轉(zhuǎn)換器分類

輸入模擬電壓寄存器狀態(tài)（代碼轉(zhuǎn)換器輸入）數(shù)字量輸出（代碼轉(zhuǎn)換器輸出）00000000000000001001000001101000001110110001111100001111110101111111101111111111單片集成并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)品較多，如AD公司的AD9012（TTL工藝，8位）、AD9002（ECL工藝，8位）、AD9020（TTL工藝，10位）等。9.1.2A/D轉(zhuǎn)換器分類

9.1.2A/D轉(zhuǎn)換器分類2.逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近轉(zhuǎn)換過程與用天平稱物重非常相似。按照天平稱重的思路，逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器就是將輸入模擬信號與不同的參考電壓做多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量在數(shù)值上逐次逼近輸入模擬量的對應(yīng)值。4位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器的邏輯電路如圖所示。四位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器的邏輯電路9.1.2A/D轉(zhuǎn)換器分類

9.1.2A/D轉(zhuǎn)換器分類

9.1.2A/D轉(zhuǎn)換器分類

9.1.2A/D轉(zhuǎn)換器分類

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器9.1.2A/D轉(zhuǎn)換器分類

9.1.2A/D轉(zhuǎn)換器分類

9.1.3A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度與參數(shù)

9.1.3A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度與參數(shù)

9.1.3A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度與參數(shù)

9.1.4常用集成ADC及應(yīng)用

9.1.4常用集成ADC及應(yīng)用（a）ADC0804引腳圖

（b）ADC0804控制信號的時序圖ADC0804引腳圖及控制信號的時序圖如圖9.1.4常用集成ADC及應(yīng)用

9.1.4常用集成ADC及應(yīng)用

9.1.4常用集成ADC及應(yīng)用

9.2.1D/A轉(zhuǎn)換電路及原理

（a）D/A轉(zhuǎn)換器的輸入、輸出關(guān)系框圖

（b）3位D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性9.2.2D/A轉(zhuǎn)換精度與參數(shù)

9.2.2D/A轉(zhuǎn)換精度與參數(shù)9.2.2D/A轉(zhuǎn)換精度與參數(shù)

9.2.3常用集成DAC及應(yīng)用

倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器9.2.3常用集成DAC及應(yīng)用

9.2.3常用集成DAC及應(yīng)用

9.2.3常用集成DAC及應(yīng)用若要使D/A轉(zhuǎn)換器具有較高的精度，則對電路中的參數(shù)有以下要求：（1）基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定性好。（2）倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)中R和2R電阻的比值精度要高。（3）每個模擬開關(guān)的開關(guān)電壓降要相等。為實現(xiàn)電流從高位到低位按2的整倍數(shù)遞減，模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻也相應(yīng)地按2的整倍數(shù)遞增。9.2.3常用集成DAC及應(yīng)用

權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器的原理電路9.2.3常用集成DAC及應(yīng)用

9.2.3常用集成DAC及應(yīng)用

9.2.3常用集成DAC及應(yīng)用

在日常生活中任何攜帶信息的物理量都可稱為信號,這些信號中，有的是自然的，有的是人為的，有的是必需的（如語音、圖像等信號），有的是讓人愉悅的（如音樂、美圖等信號），當(dāng)然還有一些信號是不需要的，甚至是有害的（如馬路的噪音）。因此，從一個錯綜復(fù)雜的信號中提取或增強(qiáng)有用的信號，同時抑制其中有害或無用的信號，是數(shù)字信號處理的一種最為直接而簡單的表述形式。更一般地說，信號處理是為提取、增強(qiáng)、存儲和傳輸有用信息而設(shè)計的一種運(yùn)算。9.3.1數(shù)字信號簡介9.3.1數(shù)字信號簡介現(xiàn)實世界中的絕大多數(shù)信號都是模擬信號，如語音、亮度、溫度、電磁波、速度等。為了能夠處理這些信號，需要先將它們數(shù)字化，即將現(xiàn)實世界中的模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，然后再進(jìn)行濾波、頻譜分析等各種各樣的數(shù)字處理，處理完成之后，還可能要再將數(shù)字信號還原成模擬信號。例如：對于現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)音樂，先要將音樂信號變成數(shù)字信號，再存儲在電腦硬盤上；在回放的時候，又要將存儲的數(shù)字音樂信號再還原成模擬音樂信號。一個典型的數(shù)字信號處理基本流程如下圖所示，圖中ADC的作用是將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，DAC的作用是將數(shù)字信號還原為模擬信號。數(shù)字信號處理基本流程9.3.1數(shù)字信號簡介如圖所示，一旦模擬信號被轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制形式的數(shù)字信號，就被加到數(shù)字信號處理器（digitalsignalprocessing，DSP）中。DSP可以對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種運(yùn)算，例如去除不需要的信號，增大某個頻率信號的幅度并減少其他頻率信號的幅度，為安全傳輸?shù)哪康倪M(jìn)行編碼并檢測和糾正得到的編碼。在其他許多運(yùn)算中，DSP還可以對錄制的聲音進(jìn)行凈化，去除來自通信線路的回音，增強(qiáng)用于醫(yī)療診斷的CT掃描的圖像和用于手機(jī)加擾的轉(zhuǎn)換。DSP實際上就是一種特殊類型的微處理器，它和微處理器的一般用途不同。微處理器主要用于處理一般功能，并使用大型軟件進(jìn)行操作。DSP主要用于處理具體的特定問題，它是一種高速的數(shù)字計算器，使用具體算法實時處理獲取的信息。在一個系統(tǒng)中，模-數(shù)轉(zhuǎn)換器必須對輸入的模擬信號進(jìn)行采樣，推出足以捕捉信號幅度的所有相關(guān)的波動，DSP必須跟上ADC的采樣速度，在接受采樣得到的數(shù)據(jù)的同時進(jìn)行計算，一旦DSP處理完數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)就會進(jìn)入數(shù)-模轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換回模擬信號的格式。9.3.2數(shù)字信號存儲移位寄存器屬于一種小規(guī)模存儲器，在實際應(yīng)用中，還有中規(guī)模存儲器、大規(guī)模存儲器以及超大規(guī)模存儲器等。在計算機(jī)中，程序和數(shù)據(jù)的存儲是必不可少的，因此必須依靠存儲設(shè)備和內(nèi)存以實現(xiàn)相應(yīng)的操作。內(nèi)存通常指寄存器、緩存、RAM、ROM、硬盤等，外存通常指磁帶、光盤、磁盤、U盤等。描述存儲器的三個關(guān)鍵特性是成本、容量和存取時間。存儲器成本通常是指每位的價格，存儲器的容量是以存儲的數(shù)據(jù)量（位數(shù)）來衡量的，存取時間是指從存儲器獲取指定單元數(shù)據(jù)所花費(fèi)的時間。在通常情況下，存儲時間越短，成本就越高；存儲容量越大，存儲時間就越長，成本就越高。在計算機(jī)系統(tǒng)中，使用分級存儲器體系（如右圖所示）來處理數(shù)據(jù)與程序的存儲問題，其目標(biāo)是在獲得最短的平均存取時間的同時使成本最低。分級存儲器體系9.3.2數(shù)字信號存儲

9.3.2數(shù)字信號存儲

9.3.3數(shù)字信號傳輸在電子系統(tǒng)中，無時無刻不在處理數(shù)字信號，而數(shù)字信號在處理過程中需要傳輸。數(shù)字信號的傳輸可以理解為將數(shù)字信號通過媒質(zhì)或信道由一點傳輸?shù)搅硪稽c或多點，媒質(zhì)可以是電線、電纜、光纖、光纜、空氣等。媒質(zhì)或信道是傳輸數(shù)據(jù)的路徑，數(shù)據(jù)在路徑中傳輸?shù)姆绞接写蟹绞剑ㄒ淮蝹鬏斠晃唬┖筒⑿蟹绞剑ㄒ淮蝹鬏敹辔唬瑪?shù)據(jù)也可以同步傳輸或異步傳輸。9.3.3數(shù)字信號傳輸1.串行與并行數(shù)據(jù)傳輸串行數(shù)據(jù)傳輸時一次只傳一位，如圖（a）所示；并行數(shù)據(jù)傳輸時一次可傳多位，如圖（b）所示。一般情況下，并行傳輸要比串行傳輸快，因此并行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳輸速率較高。但在實際應(yīng)用中，當(dāng)進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸時，各數(shù)據(jù)位在各自傳輸通道上以并行方式同時傳送時，由于不同傳輸通道的特性偏差會引起數(shù)據(jù)中出現(xiàn)時間偏差，從而使數(shù)據(jù)更容易產(chǎn)生錯位，因此，為了減少誤碼常常需要降低傳輸速率。（a）串行數(shù)據(jù)

（b）并行數(shù)據(jù)串/并行數(shù)據(jù)傳輸9.3.3數(shù)字信號傳輸在計算機(jī)內(nèi)部是采用并行方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，但若要使計算機(jī)進(jìn)行外部傳輸數(shù)據(jù)，常采用串行方式。例如：從計算機(jī)傳輸數(shù)據(jù)給打印機(jī)時，通常會采用USB進(jìn)行傳送，這是串行傳輸方式，并且在此過程中會涉及到將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，具體原理如圖所示。串/并行數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換9.3.3數(shù)字信號傳輸2.異步數(shù)據(jù)傳輸在數(shù)據(jù)傳輸過程中，一般會將多個數(shù)據(jù)位組合在一起傳輸，通常將一個長信息中組合在一起的一個完整段的信息稱為包，而一個完整的消息通常由許多數(shù)據(jù)包構(gòu)成。而一個數(shù)據(jù)包中不僅包括了有效的數(shù)據(jù)位信息，還包括奇偶校驗位、開始/停止位等信息。每個數(shù)據(jù)包之間有一個暫停，這樣可以使接收機(jī)識別每個包的開始位，數(shù)據(jù)包的結(jié)尾有一位或多位停止位來提示包傳輸結(jié)束。一個給定數(shù)據(jù)碼的數(shù)據(jù)包的串行傳送示意圖如圖所示。一個給定數(shù)據(jù)碼的數(shù)據(jù)包的串行傳送示意圖9.3.3數(shù)字信號傳輸在異步傳輸系統(tǒng)中，發(fā)送機(jī)和接收機(jī)使用的振蕩器不同，而這些振蕩器在運(yùn)行過程中會發(fā)生累計時鐘漂移，這就會導(dǎo)致發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的時鐘錯位，從而導(dǎo)致傳輸誤碼現(xiàn)象的發(fā)生。為了解決該問題，就需要在每個數(shù)據(jù)包的開始位重新同步，因此在包中加了開始/停止位以及校驗位。在不同包之間，當(dāng)信道空閑時，將有一個連續(xù)恒定的邏輯電平，數(shù)據(jù)包總是在空閑期間以與邏輯電平相反的開始位開始，從而提醒接收機(jī)數(shù)據(jù)包的開始，隨后8位是數(shù)據(jù)位，再然后就是一位校驗位，最后是一位停止位，具體情況如圖所示。一個給定數(shù)據(jù)碼的數(shù)據(jù)包的串行傳送示意圖9.3.3數(shù)字信號傳輸3.同步數(shù)據(jù)傳輸同步數(shù)據(jù)傳輸中發(fā)送端和接收端從同一時鐘信號中取得定時信號，這個時鐘信號來自系統(tǒng)的發(fā)送端。在同步數(shù)據(jù)傳輸中數(shù)據(jù)位可以連續(xù)傳送，中間沒有暫停，因此接收機(jī)必須通過一些方式來判斷數(shù)據(jù)塊的起始和終止。為了讓接收機(jī)確定信道中接收信息位的時間，就必須確切地確定數(shù)據(jù)的開始及數(shù)據(jù)位間的時間間隔，當(dāng)這個定時信息被確定時，接收機(jī)與發(fā)送機(jī)就可以實現(xiàn)同步。同步數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的傳輸速率要比異步數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)快很多，但同步數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的復(fù)雜度也要比異步數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)高很多。9.3.4數(shù)字信號處理器應(yīng)用DSP是一種特殊的微處理器，用于實時處理數(shù)據(jù)，其處理的信號一般都集中在代表著模擬信號的數(shù)字信號上。DSP和微處理器一樣具有中央處理單元（CPU）、